Thyristors: principe de fonctionnement, conception, types et méthodes d'inclusion

Le principe de fonctionnement du thyristor

Un thyristor est un interrupteur électronique de puissance, non entièrement contrôlable. Par conséquent, parfois dans la littérature technique, on l'appelle un thyristor à simple opération, qui ne peut être commuté dans un état conducteur que par un signal de commande, c'est-à-dire qu'il peut être activé. Pour l'éteindre (en fonctionnement en courant continu), des mesures particulières doivent être prises pour s'assurer que le courant continu tombe à zéro.

Un interrupteur à thyristor ne peut conduire le courant que dans un sens et, à l'état fermé, il est capable de supporter à la fois la tension directe et la tension inverse.

Le thyristor a une structure p-n-p-n à quatre couches avec trois conducteurs : anode (A), cathode (C) et porte (G), comme illustré à la Fig. 1

Riz. 1. Thyristor conventionnel : a) — désignation graphique conventionnelle ; b) — caractéristique volt-ampère.

En figue. 1b montre une famille de caractéristiques statiques de sortie I - V à différentes valeurs du courant de commande iG. La tension directe limite que le thyristor peut supporter sans l'allumer a des valeurs maximales à iG = 0.Lorsque le courant augmente, iG diminue la tension que le thyristor peut supporter. L'état passant du thyristor correspond à la branche II, l'état bloqué correspond à la branche I et le processus de commutation correspond à la branche III. Le courant de maintien ou courant de maintien est égal au courant direct minimum admissible iA auquel le thyristor reste conducteur. Cette valeur correspond également à la valeur minimale possible de la chute de tension directe aux bornes du thyristor.

La branche IV représente la dépendance du courant de fuite à la tension inverse. Lorsque la tension inverse dépasse la valeur de UBO, une forte augmentation du courant inverse commence, associée à la défaillance du thyristor. La nature du claquage peut correspondre à un processus irréversible ou à un processus de claquage par avalanche inhérent au fonctionnement d'une diode zener à semi-conducteur.

Les thyristors sont les commutateurs électroniques les plus puissants, capables de commuter des circuits avec des tensions jusqu'à 5 kV et des courants jusqu'à 5 kA à une fréquence ne dépassant pas 1 kHz.

La conception des thyristors est illustrée à la fig. 2.

Riz. 2. La conception des boîtes à thyristors : a) — tablette ; b) — une épingle

Thyristor CC

Un thyristor conventionnel est activé en appliquant une impulsion de courant au circuit de commande avec une polarité positive par rapport à la cathode. La durée du transitoire lors de l'amorçage est fortement influencée par la nature de la charge (active, inductive, etc.), l'amplitude et la vitesse de montée de l'impulsion de courant de commande iG, la température de la structure semi-conductrice du thyristor, la tension appliquée et le courant de charge .Dans un circuit contenant un thyristor, il ne devrait y avoir aucune valeur inacceptable du taux de montée de la tension directe duAC / dt, où une activation spontanée du thyristor peut se produire en l'absence du signal de commande iG et du taux de augmentation du courant diA / dt. En même temps, la pente du signal de commande doit être élevée.

Parmi les moyens d'éteindre les thyristors, il est d'usage de distinguer l'extinction naturelle (ou commutation naturelle) et la commutation forcée (ou artificielle). La commutation naturelle se produit lorsque les thyristors fonctionnent dans des circuits alternatifs au moment où le courant tombe à zéro.

Les méthodes de commutation forcée sont très diverses, les plus typiques d'entre elles sont les suivantes : connexion d'un condensateur préchargé C avec un interrupteur S (figure 3, a) ; connecter un circuit LC avec un condensateur préchargé CK (figure 3 b); l'utilisation de la nature oscillatoire du processus transitoire dans le circuit de charge (Figure 3, c).

Riz. 3. Méthodes de commutation artificielle des thyristors : a) — au moyen d'un condensateur chargé C ; b) — au moyen d'une décharge oscillatoire du circuit LC ; c) — en raison de la nature fluctuante de la charge

Lors de la commutation selon le schéma de la fig. 3 et connecter un condensateur de commutation de polarité inverse, par exemple à un autre thyristor auxiliaire, provoquera sa décharge vers le thyristor principal conducteur. Le courant de décharge du condensateur étant dirigé contre le courant direct du thyristor, ce dernier diminue jusqu'à zéro et le thyristor se bloque.

Dans le schéma de la fig. 3, b, la connexion du circuit LC provoque une décharge oscillante du condensateur de commutation CK.Dans ce cas, au début, le courant de décharge traverse le thyristor à l'opposé de son courant direct, lorsqu'ils deviennent égaux, le thyristor se bloque. De plus, le courant du circuit LC passe du thyristor VS à la diode VD. Lorsque le courant de boucle traverse la diode VD, une tension inverse égale à la chute de tension aux bornes de la diode ouverte sera appliquée au thyristor VS.

Dans le schéma de la fig. 3, la connexion d'un thyristor VS à une charge RLC complexe provoquera un transitoire. Avec certains paramètres de la charge, ce processus peut avoir un caractère oscillatoire avec un changement de polarité du courant de charge. Dans ce cas, après avoir éteint le thyristor VS, la diode VD s'allume, qui commence à conduire un courant de polarité opposée. Parfois, cette méthode de commutation est appelée quasi-naturelle car elle implique un changement de polarité du courant de charge.

Thyristor CA

Lorsque le thyristor est connecté au circuit AC, les opérations suivantes sont possibles :

• allumer et éteindre le circuit électrique avec charge active et active-réactive ;

• changement des valeurs de courant moyennes et effectives à travers la charge en raison du fait qu'il est possible d'ajuster la synchronisation du signal de commande.

Étant donné que l'interrupteur à thyristor est capable de conduire le courant électrique dans un seul sens, alors pour l'utilisation de thyristors à courant alternatif, leur connexion en parallèle est utilisée (Fig. 4, a).

Riz. 4. Connexion anti-parallèle des thyristors (a) et la forme du courant avec une charge active (b)

Moyenne et courant efficace varient en raison d'un changement du moment auquel les signaux d'ouverture sont appliqués aux thyristors VS1 et VS2, c'est-à-dire en changeant l'angle et (Fig. 4, b).Les valeurs de cet angle pour les thyristors VS1 et VS2 lors de la régulation sont modifiées simultanément par le système de contrôle. L'angle est appelé angle de commande ou angle d'amorçage du thyristor.

Les plus largement utilisés dans les appareils électroniques de puissance sont la commande de phase (Fig. 4, a, b) et de thyristor avec largeur d'impulsion (Fig. 4, c).

Riz. 5. Type de tension de charge à : a) — commande de phase du thyristor ; b) — commande de phase d'un thyristor à commutation forcée ; c) - commande de thyristors à largeur d'impulsion

Avec la méthode de phase de contrôle des thyristors avec commutation forcée, la régulation du courant de charge est possible à la fois en modifiant l'angle ? et l'angle ?... La commutation artificielle est effectuée à l'aide de nœuds spéciaux ou à l'aide de thyristors entièrement contrôlés (à verrouillage).

Avec le contrôle de la largeur d'impulsion (modulation de largeur d'impulsion - PWM) pendant Totkr, un signal de commande est appliqué aux thyristors, ils sont ouverts et la tension Un est appliquée à la charge. Pendant le temps Tacr, le signal de commande est absent et les thyristors sont dans un état bloqué. Valeur RMS du courant dans la charge

où In.m. — courant de charge à Tcl = 0.

La courbe de courant dans la charge avec contrôle de phase des thyristors est non sinusoïdale, ce qui provoque une distorsion de la forme de la tension du réseau d'alimentation et des perturbations dans le travail des consommateurs sensibles aux perturbations à haute fréquence - ce que l'on appelle se produit. Incompatibilité électromagnétique.

Thyristors à verrouillage

Les thyristors sont les commutateurs électroniques les plus puissants utilisés pour commuter les circuits haute tension et courant élevé (courant élevé).Cependant, ils présentent un inconvénient important - une contrôlabilité incomplète, qui se manifeste par le fait que pour les désactiver, il est nécessaire de créer des conditions permettant de réduire le courant direct à zéro. Cela limite et complique dans de nombreux cas l'utilisation des thyristors.

Pour remédier à cet inconvénient, on a développé des thyristors verrouillés par un signal provenant de l'électrode de commande G. De tels thyristors sont appelés thyristors à déclenchement (GTO) ou à double fonctionnement.

Les thyristors à verrouillage (ZT) ont une structure p-p-p-p à quatre couches, mais présentent en même temps un certain nombre de caractéristiques de conception importantes qui leur confèrent un caractère complètement différent des thyristors traditionnels - la propriété d'une contrôlabilité totale. La caractéristique I-V statique des thyristors de blocage dans le sens direct est identique à la caractéristique I-V des thyristors conventionnels. Cependant, le thyristor à verrouillage est généralement incapable de bloquer les tensions inverses importantes et est souvent connecté à une diode anti-parallèle. De plus, les thyristors à verrouillage se caractérisent par des chutes de tension directe importantes. Pour désactiver le thyristor de verrouillage, il est nécessaire d'appliquer une puissante impulsion de courant négatif (environ 1: 5 par rapport à la valeur du courant de blocage constant) au circuit de l'électrode de fermeture, mais de courte durée (10- 100 μs ).

Les thyristors à verrouillage ont également des tensions et des courants de coupure inférieurs (d'environ 20 à 30 %) à ceux des thyristors conventionnels.

Les principaux types de thyristors

À l'exception des thyristors à verrouillage, une large gamme de thyristors de différents types a été développée, se différenciant par la vitesse, les processus de contrôle, la direction des courants à l'état conducteur, etc.Parmi eux, il convient de noter les types suivants:

• diode à thyristor, qui équivaut à un thyristor avec une diode connectée en antiparallèle (Fig. 6.12, a);

• thyristor à diode (dynistor), passant à un état conducteur lorsqu'un certain niveau de tension est dépassé, appliqué entre A et C (Fig. 6, b);

• thyristor de verrouillage (Fig. 6.12, c);

• thyristor symétrique ou triac, qui équivaut à deux thyristors connectés en antiparallèle (Fig. 6.12, d);

• thyristor inverseur à grande vitesse (temps d'arrêt 5-50 μs);

• thyristor de champ, par exemple, basé sur une combinaison d'un transistor MOS avec un thyristor ;

• thyristor optique commandé par flux lumineux.

Riz. 6. Désignation graphique conventionnelle des thyristors : a) — diode thyristor ; b) - thyristor à diode (dynistor); c) — thyristor de verrouillage ; d) — triac

Protection des thyristors

Les thyristors sont des dispositifs critiques pour la vitesse de montée du courant direct diA/dt et la chute de tension duAC/dt. Les thyristors, comme les diodes, sont caractérisés par le phénomène de courant de récupération inverse, dont la chute brutale à zéro aggrave la possibilité de surtensions avec une valeur élevée duAC / dt. De telles surtensions résultent d'une coupure brutale du courant dans les éléments inductifs du circuit, notamment petites inductances installation. Par conséquent, divers schémas CFTCP sont généralement utilisés pour protéger les thyristors qui, dans les modes dynamiques, offrent une protection contre les valeurs inacceptables de diA / dt et duAC / dt.

Dans la plupart des cas, la résistance inductive interne des sources de tension incluses dans le circuit du thyristor inclus est suffisante pour qu'aucune inductance supplémentaire LS ne soit introduite.Par conséquent, dans la pratique, on a souvent besoin de CFT qui réduisent le niveau et la vitesse des surtensions de déclenchement (Fig. 7).

Riz. 7. Circuit de protection typique des thyristors

Des circuits RC connectés en parallèle avec le thyristor sont généralement utilisés à cette fin. Il existe diverses modifications de circuit des circuits RC et des méthodes de calcul de leurs paramètres pour différentes conditions d'utilisation des thyristors.

Pour les thyristors à verrouillage, des circuits sont utilisés pour former un chemin de commutation, similaire en circuit aux transistors CFTT.